JP2970877B2 - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波モータの駆動回路、詳しくは目標位置
に高速で到達し、且つ精度よく停止することのできる超
音波モータの駆動回路に関する。

［従来の技術］ 回転駆動中の超音波モータを停止させる際の停止位置
の精度を上げる手段として、オーバラン量を見込んで目
標位置の手前で通電を停止するようにした振動波モータ
ーの停止位置制御装置が、特開昭63−167681号に開示さ
れている。しかしながら、この特開昭63−167681号に開
示された技術手段では、負荷が変動しり、界面が不均一
であったりすると、数十μｍオーダの停止位置のバラツ
キが避けられなかった。

また、超音波モータを駆動する際の駆動パラメータを
数段階に分けて制御しながら、減速・停止するようにし
た超音波モータの駆動回路が、本出願人より特願平２−
198594号として提案されている。しかしながら、この特
願平２−198594号でも上記特開昭63−167681号における
と同じように、界面の不均一による停止位置のバラツキ
が避けられなかった。この停止位置のバラツキは、停止
位置の直前に達したときにモータ速度を減速すれば、大
幅に小さくすることができるが、それでも数〜数十μｍ
のバラツキが残ってしまう。また、上記パラメータを変
化させることにより減速は、出力も小さくなるため、負
荷が変動すると動作が不安定になってしまい目標位置に
達しないで停止してしまうことがある。

そこで、上述の問題点を解決する手段として、通常の
駆動を行った後、停止直前に特開昭60−170474号や特開
昭63−110971号にそれぞれ開示されているような間欠駆
動に切り換える方法が考えられる。このようにすれば、
間欠駆動の定常速度まで急速に減速される上、減速後は
低速安定動作で確実に停止位置まで達するため、短時間
で高精度の位置制御が可能になる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記特開昭60−170474号や特開昭63−
110971号にそれぞれ開示された間欠駆動は、低速・高ト
ルク（推力）が得られる半面、音や振動が発生するた
め、この方法による駆動距離が過剰だと、音や振動の発
生する時間が長くなり、使用者に不快感を与えることに
なってしまう。一方、モータにかかる負荷が大きく変化
する場合は、充分な間欠駆動距離を確保しておかなけれ
ば減速しきれずにオーバーランしてしまい、充分な停止
精度を得ることができない。これに対応するため充分な
間欠駆動距離を確保した場合は、負荷が大きいと減速が
速いため、上に述べたように間欠駆動距離が過剰な状態
となり、音や振動が発生して使用者に不快感を与えるこ
とになってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記問題点を解消し、間欠
駆動距離を必要かつ充分な距離に抑えて、高速駆動・高
精度位置制御と音や振動の発生の防止とを両立させた超
音波モータの駆動回路を提供するにある。

［課題を解決するための手段および作用］ 本発明による超音波モータの駆動回路は、超音波モー
タにより駆動される被駆動部材の位置を検出する位置検
出手段と、上記超音波モータへの交流駆動電圧の印加を
連続的に行う通常駆動と、一定周期で上記超音波モータ
への交流駆動電圧の印加を許可または禁止することによ
り、該超音波モータを間欠的に駆動する間欠駆動とを切
換え可能な駆動制御手段と、上記被駆動部材の速度を検
出する速度検出手段と、上記速度検出手段により検出さ
れた上記被駆動部材の通常駆動時の速度と、上記間欠駆
動開始時の上記被駆動部材の速度が略定常速度に移行す
るまでに必要な間欠駆動距離を示す情報とに基づき、上
記駆動制御手段が上記通常駆動を上記間欠駆動に切換え
る際の上記被駆動部材の位置を算出する駆動切換位置算
出手段とを具備することを特徴とする。

［実施例］ 以下、図示の実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第２図は、本発明の第１実施例を示す超音波モータの
駆動回路を用いたレンズシャッタカメラの外観の斜視図
で、符号21はカメラボディ、22は図示しない超音波モー
タによって光軸方向に駆動される撮影レンズ、23はファ
インダ窓、24はリレーズ釦、25はAF（オートフォーカ
ス）センサの測距窓である。

第３図は、上記第２図における撮影レンズ22を保持し
駆動する部分の断面図で、符号１はカメラボディと一体
となっている固定枠、２はレンズ22を保持し、光軸０と
平行方向に移動可能な移動枠である、４は縦振動子、11
は屈曲振動子で、これにより振動体12が構成されてい
る。７は支持ピン、８は支持ピン７に接して振動体12を
支持するホルダ、10はホルダ８を固定する固定用ビスで
ある。そして、本実施例に用いられる超音波モータは、
上記各部材により構成されるリニア型超音波モータであ
る。

符号1dは振動体12が入る切欠孔、13bは移動枠２を支
持するベアリング、2bおよび1bはそれぞれベアリングを
案内する移動枠２および固定枠１に設けられた直線溝で
ある。これら第３図に示す構造は、本出願人が先に出願
した特願平２−118210号と同様なので、ここでの説明を
省略する。

このように構成された本実施例の超音波モータの動作
原理は、本出願人が先に出願した特願平１−195767号の
ものと同じで、屈曲振動と縦振動の位相差を約90゜にす
ることで移動枠２を、その光軸方向に進退移動するよう
な楕円振動を縦振動子４の端面に発生させる。２つの縦
振動子４は、振動の位相が180゜異なって振動するよう
に構成されているので、屈曲振動による節まわりの振り
子振動の一方向の動作のみを移動枠２のスライド板３に
作用させる。これによって、移動枠２は光軸方向に進退
運動をすることになる。

次に、第１図に基づいて本第１実施例の電気回路を説
明する。12は、上記第３図で説明したリニア型超音波モ
ータの振動体である。51は移動枠２の動きを検出するエ
ンコーダで、等間隔の目盛りを、位相をずらして２列に
書きこんだスケールと読み取り部で構成し、スケール上
には基準位置を示すもう一列の目盛も書きこまれてい
る。そしてスケールが移動枠２に、読み取り部が固定枠
１にそれぞれ配設されている。

52は速度検出回路で、２系列のパルスの位相反転によ
り移動方向信号を出力すると共に、単位時間当りのパル
ス数をカウントして速度を検出する。53はアップ・ダウ
ン・カウンタ（以下、U/Dカウンタと略記する）で、上
記エンコーダパルスをカウントして絶対位置を出力す
る。そして、速度検出回路52内の方向検出回路の出力が
繰出方向のときアップカウントし、繰込方向のときダウ
ンカウントする。54は駆動回路で、後述する演算制御部
57の指令に基づき、振動体12に駆動電圧を印加する。

55は、例えば本出願人が先に出願した実開平１−1245
15に示されるように、三角測距によるAF（オートフォー
カス）モジュール、56は後述する演算制御部57に必要な
データを供給するROMである。また、57はCPUで構成され
た演算制御部で、速度検出回路52、U/Dカウンタ53、AF
モジュール55およびROM56の出力に基づき駆動回路54を
演算制御する。

第４図は、上記第１図中の駆動回路54の詳細を示すブ
ロック構成図で、本出願人が先に出願した特願平１−33
7024号中の第３実施例と殆ど同じなのでその詳細な説明
は省略するが、電力増幅器１および２に前置されたアン
ドゲート66a〜66dに、CPUからの駆動許可信号が入力さ
れている点が異なっている。

このように構成された本第１実施例の動作を、第５〜
8B図により以下に説明する。第５図は、本第１実施例に
おけるCPUの動作フローを示すフローチャートで、レリ
ーズ釦を半押しすると、AFモジュール55が被写体の測距
値を出力し、演算制御部57がこれを読み込んでレンズ繰
出のモードに入る（ステップS201）。そして、この測距
値を対応するレンズの駆動位置つまり目的位置を、演算
制御部57が算出する（ステップS202）。次に、予めROM5
6に記憶された、間欠駆動の最大値よりも大きい値、例
えば500μｍを目的位置から引いた値を速度読込み位置
として算出する（ステップS203）。

次に、駆動回路54内の第１〜第４のデバイダ61〜64、
データセレクタ65（第４図参照）に駆動パラメータを設
定して出力する（ステップS204）。そして、駆動許可信
号を“H"レベルにすることにより、振動体12への駆動が
開始される（ステップS205）。ここで、上記速度読込み
位置に達するまでU/Dカウンタ53から現在位置を繰返し
読込み、速度読込位置に達したらそのときの駆動速度を
速度検出回路52から読み出す（ステップS206,S207,S20
8）。この値をもとにして、第７図に示すような関係に
基づいて、後述する方法により間欠駆動開始位置を算出
する（ステップS209）。そして、間欠駆動開始位置に達
するまで、現在位置を繰返し読込みながら通常駆動を行
い（ステップS210,S211）、間欠駆動開始位置に達した
ら、ステップS108以下の間欠駆動のフローに進む。

ステップS108〜S210からなる間欠駆動のフローは、モ
ータオン期間を示すステップS108〜113と、モータオフ
期間を示すステップS114〜S119とで構成されている。先
ず、駆動許可信号を“H"レベルにして出力し（ステップ
S108）、駆動許可期間（以下、オン時と略記する）をど
のくらいの時間続けるか、カウントダウンする数の初期
値を、あらかじめ書き込まれたROM56からロードする
（ステップS109）。

現在位置をU/Dカウンタ53から読出し（ステップS11
0）、目的位置と競べ、等しければステップS120へ進む
し（ステップS111）、等しくなければロード数をカウン
トダウンする（ステップS112）。この数が０になればス
テップS114へ進み、０でなければ上記ステップS110に戻
ってステップS110〜S113を繰返し実行する（ステップS1
13）。

駆動許可信号を“L"レベルとすることにより駆動禁止
信号を出力し（ステップS114）、以下オン時と同様に、
駆動禁止期間（以下、オフ時と略記する）をどのくらい
の時間続けるか、カウントダウンすべき数の初期値をRO
M56からロードする（ステップS115）。そして、位置検
出（ステップS116）、目的位置かどうかの判断（ステッ
プS117）、まだ目的位置に達していないときのロード数
カウントダウン（ステップ（S118）、およびロード数が
０か否かの判断（ステップS119）を順次実行する。この
ステップS119で０でなければ、上記ステップS116へ戻
り、０になったら再度上記ステップS108へリターンして
間欠駆動におけるオン状態になる。なお、上記ステップ
S111で目的位置に達したら、駆動許可信号を“L"レベル
にして駆動禁止とし（ステップS120）、移動を終了す
る。また、上記ステップS117で目的位置に達したら、そ
のまま駆動終了となる（ステップS121）。

上述の通常駆動時、間欠駆動時の各動作を、時間と変
位または電圧のグラフとして明らかにしたのが第6A〜6C
図である。第6A図のグラフは、移動時間全体を示したも
ので、時刻T0で通常駆動を開始し、時間T1で通常駆動か
ら間欠駆動に移行する。この間欠駆動期間中は、駆動許
可信号を“H"レベルと“L"レベルに切換えながら間欠駆
動し、時刻T2で駆動を停止する。

停止時刻近くの間欠駆動時間T1,T2間を拡大して示し
たのが第6B図で、時刻T1で間欠駆動に移行した後、しば
らくは急激に速度を低下させつつも定常的な間欠駆動よ
りは速い速度で移動する（以下、この期間を移行期間と
呼称する）。その後定常的な間欠駆動状態となり、低速
安定動作をする。この状態になれば駆動電圧の印加を停
止することにより、即座に数μｍ以下のオーバーランで
停止する。

第6C図は、上記第6B図を更に拡大し、駆動許可信号
と、屈曲および縦振動子への印加電圧としたもので、上
記第５図のフローチャートにおけるステップS108からS1
13までの部分が時間T_ONに、ステップS114からS119まで
の部分が時間T_OFFにそれぞれ対応する。

次に、間欠駆動距離の算出について詳しく述べる。さ
て、本実施例の制御上の特徴は、停止直前の駆動速度を
検出し、その値に応じて間欠駆動距離を決定しようとす
るもので、先に述べたように間欠駆動が開始されると、
移行期間を経て定常的間欠駆動期間に移行し、停止す
る。

定常的間欠駆動期間に入れば、いつ停止してもオーバ
ーラン量は不変だが、移行期間内に目的位置に達する
と、駆動を停止したときの速度が大きいため、オーバー
ランが多くなってしまう。そのため、間欠駆動期間をや
や長めにして、必ず定常的間欠駆動の期間が生じるよう
にする必要がある。そこで、常に僅かの定常的間欠駆動
期間を経て停止するように間欠駆動距離を最適化できれ
ば、駆動が短時間で済み、且つ間欠駆動による音の発生
等も殆どなくすことができる。

ところで、駆動すべき被駆動体の質量が一定なら、停
止直前の速度と移行期間の長さとの相関が強い筈であ
る。例えば、本出願人が250gの物体を、前記したリニア
型超音波モータで駆動したところ、第７図に示すような
間欠駆動距離を考えると、高精度で且つ短時間で駆動で
きた。そこで、第７図に示すように間欠駆動距離を決定
すれば、音の発生等が少なく、しかも高精度且つ短時間
の駆動が可能になる。第8A図は負荷が大きく検出速度が
小さいときに、第8B図は負荷が小さく速度が大きいとき
に、それぞれ最適な間欠駆動距離を、上記方法により与
えた場合の駆動の様子を示したものである。

以上述べたように、本第１実施例においては、停止位
置の直前まで高速駆動し、必要最小限な間欠駆動距離の
後に停止されるため、音や振動の発生が少なくかつ高精
度で位置の制御ができ、その所要時間も短い。また、そ
の制御も駆動許可信号のみで可能なため、ソフト的にも
ハード的にも簡単である。

次に、本発明の第２実施例を示す超音波モータの駆動
回路を、第９〜第12図により説明する。上記第１実施例
では、間欠駆動の制御を演算制御部57内のCPUで行って
いたのに対し、この第２実施例では、第９図に示すよう
に、演算制御部57内のCPUとは別に間欠駆動制御回路58
を設け、この間欠駆動制御回路58で間欠駆動の制御を行
っている。即ち、間欠駆動とその開始ならびに終了を司
どる駆動許可信号がCPUからではなく、間欠駆動制御回
路58から出力される。なお、この第９図においては、上
記第１実施例における第１図と同じ構成部材には同じ符
号を付けてその説明を省略する。

第10図は、間欠駆動制御回路58の一例を示すブロック
構成図で、信号ラインとそのラインに送出される信号和
とを同じ、つまり信号ラインn1には信号n1が入出力され
るとして以下に説明する。

レジスタファイル71は、演算制御部57内のCPUにより
出力された、間欠駆動開始位置および目的位置を保持
し、デジタルコンパレータ72によってU/Dカウンタ53の
計数値と上記位置とを比べ、等しいときに信号n6を出力
するようになっている。第１のDFF73および第２のDFF74
は、Ｄ型フリップフロップ回路により構成され、上記デ
ジタルコンパレータ72の出力76に基づき各部を制御する
シーケンサである。

また、第１のラッチ回路75および第２のラッチ回路76
は、それぞれ間欠駆動時のオン時間、オフ時間に対応す
る値を保持しており、この値は第１のデバイダ77および
第２のデバイダ78によって分周され、上記オン時間、オ
フ時間に対応する値に相当するクロックカウントの後、
信号を出力する。第３のDFF79は、第１のデバイダ77お
よび第２のデバイダ78の出力から間欠駆動の“H"、“L"
信号を出力するＤ型フリップフロップ回路で、この信号
に基づき駆動許可信号を発生させ、また第１、第２のデ
バイダ77および78を交互に働かせる機能を有する。

このように構成された間欠駆動制御回路58の動作を、
第11図のタイムチャートおよび第12図のフローチャート
を参照しながら以下に説明する。

第12図において、ステップS301とS302は、上記第１実
施例におけるステップS201,S202と同一のフローであ
る。次に速度読み出し位置を算出するが、この停止位置
は、上記第１実施例における停止の直前ではなく、駆動
開始後速度が確実に立ち上がる距離をとり、その地点を
速度読み出し位置と設定する（ステップS303）。つづい
て、上記第１実施例と同様に駆動パラメータの設定・出
力を行う（ステップS304）。

その後、間欠駆動におけるオン時カウント数D1,オフ
時カウント数D2,目的位置D3,間欠駆動開始位置D4を、第
1,第２のラッチ回路75,76およびレジスタファイル71に
書き込む（ステップS305〜S308）。この書き込み方法
は、第11図に示すように、ラッチの場合はデータバスに
データを出力しておいて、ラッチ信号をn1,n2にパルス
的に与えればよい。またレジスタファイルに書き込む場
合は、データバスにデータを出力しつつ、アドレス選択
信号n4の“H"または“L"でアドレスを選択し、書込み信
号をパルス的に書込み信号ライン3nに与えればよい。

時刻t₁（第11図参照）で、駆動シーケンス許可信号n5
を“H"にする（ステップS309）。これにより、駆動許可
信号n14が“H"になるのと同時に、間欠駆動制御回路58
（第9,10図参照）内のリセット信号が解除されて通常駆
動を開始し、間欠駆動開始点に達する迄待機する。時刻
t₂で間欠駆動開始点に達すると、デジタルコンパレータ
72の出力信号n6によって、トグルFFとして機能する第１
のDFF73が反転し、信号n11が“L"に対して間欠駆動が発
生する。この第１のDFF73の反転により、信号n7が反転
してレジスタファイル71が目的位置を出力する。

時刻t₃で、この目的位置と等しい値がU/Dカウンタ（5
3（第９図参照）から出力されると、信号n13が“L"にな
り、駆動許可信号n14が“L"になる。このとき、シーケ
ンス終了信号が演算制御部57（第９図参照）内のCPUに
読み込まれ（ステップS313）、上記駆動シーケンス許可
信号n5を“L"とし（ステップS314）、このフローを終了
する。上記時刻t₁〜t₃の間は、CPUは駆動シーケンス許
可信号n5を“H"にした後、レンズ位置を繰り返し読み出
す（ステップS310）。そして、速度読込位置をすぎた時
点で速度を検出し（ステップS311）、上記第１実施例と
同様の方法で、速度に対応した間欠駆動距離を生じる間
欠駆動開始位置を算出し、レジスタ・ファイル内に変更
書込みを行う（ステップS312）。

本第２実施例では、駆動開始直後に速度に対応する間
欠駆動開始位置を出力して書き込んだ後は、CPUを介在
させる必要がないので、前記第１実施例に比べてCPUの
動作上の制約が少ない。従って、超音波モータの駆動制
御以外の機能をも果たすようなCPUでも容易に制御で
き、また複数の超音波モータを駆動することも容易にな
る。

上記各実施例は、リニア型超音波モータ以外の、例え
ば、円環型の超音波モータ等にも適用できことは勿論で
ある。また、被駆動体はレンズ以外のものでもよく、更
に、位置や速度の検出法は他の公知の方法でもよく、間
欠駆動の発生手段もアナログ回路を用いるもの等他の構
成でも可能であることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、レンズをある地点
に移動させる際、短時間かつ高精度で移動させることが
でき、音や振動の発生を最小限に抑えることができると
いう顕著な効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す超音波モータの駆
動回路のブロック構成図、 第２図は、上記第１図に示す超音波モータの駆動回路が
用いられたレンズシャッタカメラの外観の斜視図、 第３図は、上記第２図における撮影レンズを保持し、駆
動する部分の断面図、 第４図は、上記第 図における駆動回路の詳細を示す回
路図、 第５図は、この第１実施例におけるCPUの動作フローを
示すフローチャート、 第6A図は、通常駆動時、間欠駆動時における各動作の全
体を時間を横軸に、変位または電圧を縦軸にしてプロッ
トした線図、 第6Bは、上記第6A図における間欠駆動期間を拡大して示
した線図、 第6C図は、上記第6B図における定常的間欠駆動期間を拡
大し、該期間における各信号の波形を示す図、 第７図はは、250gの物体をリニア型超音波モータで駆動
したときの停止前速度に対する間欠駆動距離の線図、 第8A,B図は、この第１実施例における間欠駆動期間にお
いて、時間に対し最適な間欠駆動距離が得られる線図
で、第8A図は負荷が大きく検出速度が小さいときを、第
8B図は負荷が小さく検出速度が大きいときを、それぞれ
示す線図、 第９図は、本発明の第２実施例を示す超音波モータの駆
動回路のブロック構成図、 第10図は、上記第９図における間欠駆動制御回路の詳細
を示す回路図、 第11図は、上記第10図における各部のタイムチャート、 第12図は、この第２実施例のフローチャートである。 51……エンコーダ（位置検出手段） 52……速度検出回路（速度検出手段） 54……駆動回路（駆動制御手段および間欠駆動切換手
段） 56……ROM（記憶手段） 57……演算制御部（駆動制御手段、間欠駆動切換手段お
よび決定手段）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波モータにより駆動される被駆動部材
   の位置を検出する位置検出手段と、 上記超音波モータへの交流駆動電圧の印加を連続的に行
   う通常駆動と、一定周期で上記超音波モータへの交流駆
   動電圧の印加を許可または禁止することにより、該超音
   波モータを間欠的に駆動する間欠駆動とを切換え可能な
   駆動制御手段と、 上記被駆動部材の速度を検出する速度検出手段と、 上記速度検出手段により検出された上記被駆動部材の通
   常駆動時の速度と、上記間欠駆動開始時の上記被駆動部
   材の速度が略定常速度に移行するまでに必要な間欠駆動
   距離を示す情報とに基づき、上記駆動制御手段が上記通
   常駆動を上記間欠駆動に切換える際の上記被駆動部材の
   位置を算出する駆動切換位置算出手段と、 を具備することを特徴とする超音波モータの駆動回路。